專利名稱：一種光學(xué)輔助的超精密加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量和加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)輔助的超精密加工方法。
背景技術(shù)：
納米級(jí)復(fù)雜曲面的超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的前沿領(lǐng)域，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)品關(guān)鍵零部件制造的核心支撐技術(shù)之一，在航空航天、國(guó)防、新能源、通訊、微電子、光電子、醫(yī)療等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，極大地提高了關(guān)鍵器件的加工效率，成為一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)、 國(guó)防和科學(xué)技術(shù)綜合實(shí)力的體現(xiàn)。目前，各類應(yīng)用領(lǐng)域也對(duì)納米級(jí)復(fù)雜曲面的加工精度逐漸提出更高要求，因此，高精度納米級(jí)復(fù)雜曲面制造是目前超精密加工領(lǐng)域的主要任務(wù)。除了從加工方法上考慮面形精度的提高之外，依靠誤差補(bǔ)償技術(shù)逐步提高面形精度是必不可少的步驟，其中非常重要的是數(shù)據(jù)獲取的手段，即超精密測(cè)量技術(shù)?，F(xiàn)有測(cè)量技術(shù)都存在掃描量程小、測(cè)量面形相對(duì)簡(jiǎn)單、離線測(cè)量的缺點(diǎn)，在加工中會(huì)引入二次裝夾和定位誤差，同時(shí)也阻礙了加工、測(cè)量和補(bǔ)償過程的集成自動(dòng)化，因此，基于超精密機(jī)床的納米精度原位測(cè)量系統(tǒng)已成為研究的熱點(diǎn)。光學(xué)測(cè)量方法具有速度快、非損傷的優(yōu)點(diǎn)，但因光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不易小型化，難于在超精密機(jī)床有限空間中實(shí)現(xiàn)原位放置，也是影響其原位化的重要原因。同時(shí)受光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑和視場(chǎng)范圍的限制，這種光學(xué)非接觸式方法不適合大曲率面形的測(cè)量。因此，設(shè)計(jì)可以進(jìn)行大曲率測(cè)量的光學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種光學(xué)輔助的超精密加工方法。本發(fā)明通過柔性測(cè)頭的提出和設(shè)計(jì)，可以延長(zhǎng)并縮減光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，并且借助測(cè)頭的柔性控制實(shí)現(xiàn)大曲率面形的測(cè)量，從而解決光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)原位化和大曲率面形測(cè)量難題。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種光學(xué)輔助的超精密加工方法，其特征在于，所述測(cè)量裝置包括柔性測(cè)頭、傳像光纖、耦接鏡、高精密轉(zhuǎn)臺(tái)和光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)，所述柔性測(cè)頭被置于高精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，其中心位于轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸的軸線上，柔性測(cè)頭采集的被測(cè)面圖像，依次通過傳像光纖、耦接鏡被傳送至光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明同時(shí)還提供了一種采用所述的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的超精密加工方法，包括下列步驟
(1 )建立加工系統(tǒng)的xyz加工坐標(biāo)系，使轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸平行于加工坐標(biāo)系X軸，并裝配柔性測(cè)頭，使其通過通過傳像光纖、耦接鏡與光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)相連； (2 )標(biāo)定柔性測(cè)頭，確定測(cè)頭端面和旋轉(zhuǎn)軸軸線的距離d ； (3)對(duì)所需加工工件進(jìn)行粗加工和超精密加工；
(4 )設(shè)由柔性測(cè)頭的旋轉(zhuǎn)角度為，以機(jī)床的定位移動(dòng)確定刀具和測(cè)頭的X方向偏差ΔΧ，進(jìn)行原位測(cè)量，由柔性測(cè)頭直接得到的加工表面的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)為(X1，y，Z1 )，則該點(diǎn)在加工系統(tǒng)的xyz坐標(biāo)系中絕對(duì)加工坐標(biāo)為(dcos + X1 + Δ X , y，dsin
+Z1 )；
(5 )將加工表面的絕對(duì)加工坐標(biāo)點(diǎn)直接和所加工工件的面形模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到其加工面形誤差數(shù)據(jù)；
(6 )依據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行加工路徑修正和補(bǔ)償加工，通過反復(fù)的原位測(cè)量和補(bǔ)償加工，實(shí)現(xiàn)工件可控面形的超精密加工。作為優(yōu)選實(shí)施方式，第(1 )步中提到的柔性測(cè)頭的裝配步驟為
(1 )設(shè)計(jì)耦接鏡，連接傳像光纖和測(cè)量系統(tǒng)，在光纖另一端固定物鏡，以作為柔性測(cè)
頭；
(2 )將高精密轉(zhuǎn)臺(tái)固定于一剛性平臺(tái)上，將剛性平臺(tái)固定于加工機(jī)床上，并將高精密轉(zhuǎn)臺(tái)和加工刀架及刀具平行放置；
(3 )將柔性測(cè)頭通過夾具固定于高精密轉(zhuǎn)臺(tái)，調(diào)整使其中心位于轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的軸線
上；
(4 )以加工機(jī)床的加工平面作為基準(zhǔn)平面，調(diào)整刀具和柔性測(cè)頭的位置在加工坐標(biāo)系Y方向和Z方向上的對(duì)正。此外，第(2 )步中的柔性測(cè)頭標(biāo)定步驟為采用裝配好的柔性測(cè)頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)凹球冠的橫向中心線進(jìn)行測(cè)量，則所有由柔性測(cè)頭直接得到的所有測(cè)量點(diǎn)(&，Z1 )均與軸線方向、旋轉(zhuǎn)角度及機(jī)床對(duì)應(yīng)坐標(biāo)(Xo，Ztl)相關(guān)，且滿足球面方程，利用測(cè)量點(diǎn)建立的球面方程組，借助最優(yōu)化計(jì)算方法確定測(cè)頭端面和旋轉(zhuǎn)軸軸線的距離d。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
(1 )柔性測(cè)頭可以將原有測(cè)量系統(tǒng)延長(zhǎng)，并小型化，易于實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量，同時(shí)保證原有測(cè)量系統(tǒng)的離線測(cè)量能力；
(2 )柔性測(cè)頭可以借助旋轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)大曲率面形的測(cè)量，突破光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)面形曲率測(cè)量限制；
(3 )柔性測(cè)頭不局限于超精密車床上使用，還可以應(yīng)用于其他超精密加工方法中； (4 )柔性測(cè)頭也不局限于某一光學(xué)測(cè)量方法，凡是基于光學(xué)測(cè)量的方法均可以借助該想法實(shí)現(xiàn)柔性測(cè)頭的應(yīng)用；
(5 )柔性測(cè)頭可以應(yīng)用于其他精度的加工系統(tǒng)原位測(cè)量中，也可以應(yīng)用于其他需要小型化測(cè)量系統(tǒng)，但本身測(cè)量系統(tǒng)卻難以小型化的其他應(yīng)用中。


圖1基于柔性測(cè)頭測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意2柔性測(cè)量示意圖
圖3旋轉(zhuǎn)控制示意4系統(tǒng)標(biāo)定示意圖
附圖標(biāo)記說明如下1柔性測(cè)頭；2高精密轉(zhuǎn)臺(tái)；3傳像光纖；4耦接鏡；5光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)；6超精密車床；7金剛石刀具。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明提出了一種可以直接放置在超精密加工機(jī)床上，實(shí)現(xiàn)大曲率表面的原位測(cè)量的柔性測(cè)頭。裝配了這種柔性測(cè)頭的測(cè)量裝置包括柔性測(cè)頭、傳像光纖、耦接鏡、光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)、高精密轉(zhuǎn)臺(tái)。其原位測(cè)量應(yīng)用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。測(cè)頭的光學(xué)測(cè)量部件借助耦接鏡連接傳像光纖，通過另一端的物鏡實(shí)現(xiàn)被測(cè)圖像采集。光線可以將所需的光源照明傳導(dǎo)至被測(cè)物表面，同時(shí)傳送被被測(cè)物面形調(diào)制的測(cè)量圖像，測(cè)頭獲取圖像，實(shí)現(xiàn)和直接進(jìn)行采集圖像的測(cè)量。這種結(jié)構(gòu)等效將原有的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行延長(zhǎng)，并小型化為光纖的物鏡，稱為測(cè)頭。該測(cè)頭具有體積小的特點(diǎn)，比原有測(cè)量系統(tǒng)更易放置于超精密加工機(jī)床上，實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量。由于受到光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、測(cè)量距離等多方面的影響，其測(cè)量的范圍也受到一定的限制，尤其是很難勝任大曲率面形的測(cè)量。這里選擇一種柔性光纖，增大測(cè)頭的自由度，實(shí)現(xiàn)面形跟蹤測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大曲率面形測(cè)量。測(cè)頭可以依據(jù)被測(cè)面形的曲率進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)頭測(cè)量方向的調(diào)整，保持測(cè)頭大致垂直于被測(cè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)大曲率面形的測(cè)量，如圖2所示。因?yàn)楣饫w在這個(gè)過程中進(jìn)行柔性控制，因此，本發(fā)明稱該測(cè)頭為柔性測(cè)頭。如圖3所示，XYZ坐標(biāo)系為加工坐標(biāo)系。柔性測(cè)頭的角度調(diào)整依靠高精密轉(zhuǎn)臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，依據(jù)被測(cè)面可能的曲率方向，需要進(jìn)行兩個(gè)方面的旋轉(zhuǎn)控制，S卩柔性測(cè)頭的水平偏擺(旋轉(zhuǎn)軸平行于加工坐標(biāo)系Y軸)和柔性測(cè)頭的垂直傾仰(旋轉(zhuǎn)軸平行于加工坐標(biāo)系X 軸)。為了控制方便，在實(shí)際柔性控制中僅對(duì)其中水平偏擺進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)控制，由高精密轉(zhuǎn)臺(tái)完成。而對(duì)于垂直傾仰的法向矢量，由于測(cè)量距離較近可依靠柔性測(cè)頭的數(shù)值孔徑來涵蓋到， 這樣可以避免兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)試和控制困難。這種方法的控制轉(zhuǎn)臺(tái)的法失方向由被測(cè)面法失修正為被測(cè)面法失在加工坐標(biāo)系XZ平面的投影法失。測(cè)量時(shí)，將本發(fā)明的柔性測(cè)頭應(yīng)用于超精密車床上，應(yīng)用的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)基于激光自動(dòng)聚焦測(cè)量方法，通過螺旋測(cè)量路徑設(shè)計(jì)和與機(jī)床數(shù)控連接，實(shí)現(xiàn)柔性測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)證明該方法實(shí)用可行，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的原位測(cè)量。具體測(cè)量步驟如下
(1 )柔性測(cè)頭裝配。針對(duì)所選定的光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)特性進(jìn)行耦接鏡的設(shè)計(jì)， 使之連接傳像光纖和測(cè)量系統(tǒng)的物鏡，傳像光纖另一端連接測(cè)量物鏡。耦接鏡和光纖物鏡的設(shè)計(jì)需保證測(cè)量所需數(shù)值孔徑和測(cè)量距離等條件要求。將精密轉(zhuǎn)臺(tái)固定于一剛性平臺(tái)上，并將轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)整體固定于加工機(jī)床上，并和加工刀架及刀具平行放置，如圖1所示，根據(jù)被加工工件口徑大小，轉(zhuǎn)臺(tái)和刀架的距離進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證轉(zhuǎn)臺(tái)在加工過程中對(duì)實(shí)際加工造成干涉。將柔性測(cè)頭的物鏡通過特定夾具固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過激光干涉儀測(cè)試調(diào)整使其中心位于轉(zhuǎn)臺(tái)軸線上。對(duì)平面進(jìn)行切削加工，以平面作為基準(zhǔn)平面，調(diào)整刀具和柔性測(cè)頭的位置在加工坐標(biāo)系Y方向和Z方向上的對(duì)正，以機(jī)床的定位移動(dòng)確定刀具和測(cè)頭的X方向偏差Δ X，以保證加工坐標(biāo)系和柔性測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系的統(tǒng)一。( 2 )柔性控制轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定。在柔性測(cè)量的過程中，對(duì)測(cè)頭和轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的位置關(guān)系的標(biāo)定是非常重要的步驟，具體來說就是確定測(cè)頭端面和轉(zhuǎn)臺(tái)軸線的距離d。在進(jìn)行柔性測(cè)頭裝配和調(diào)整后，圖3中轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸Ii1 ( Δ X，0，d )中的變量可以確定，其中d 為未知量，需要借助圖4是標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定，即對(duì)曲率較大的已知凹球冠的兩個(gè)互相垂直的中心線進(jìn)行原位測(cè)量，球冠的半徑為R，球冠面形精度較高，一般PV值在IOOnm以下(該精度要求可依據(jù)所需測(cè)量精度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整)。僅對(duì)凹球冠的橫向中心線進(jìn)行測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸方向標(biāo)定。對(duì)橫向軸心線的測(cè)量，僅借助旋轉(zhuǎn)臺(tái)1的旋轉(zhuǎn)及機(jī)床本身的χ 和Z向位移可以完成，按照測(cè)量原理所有測(cè)量點(diǎn)(Xl，Z1 )均與軸線方向、旋轉(zhuǎn)角度及機(jī)床對(duì)應(yīng)坐標(biāo)(Xtl, Ztl)相關(guān)，可以表示為
X0=dcos +X1 ；z0=dsin +Z1
所有測(cè)量點(diǎn)滿足球面方程，通過最優(yōu)化計(jì)算方法可以進(jìn)行其中未知參數(shù)d的求解。
( 3 )在進(jìn)行以上設(shè)定和標(biāo)定后，所有系統(tǒng)未知量均已確定，可利用原位測(cè)量對(duì)所加工表面進(jìn)行可控面形的超精密加工。其步驟為先對(duì)所需加工工件進(jìn)行超精密粗加工和精加工，然后按照加工路徑進(jìn)行原位測(cè)量。由柔性測(cè)頭直接得到的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)(X1, y ,Z1)，需先經(jīng)過轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)量的計(jì)算轉(zhuǎn)為臨時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)(dcos +X1, y , dsin +Z1)， 然后依據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的X向偏移量求取加工表面的絕對(duì)加工坐標(biāo)(dcos +X1 + Δ X , y， dsin +Z1 )，該數(shù)據(jù)已完全轉(zhuǎn)換到加工坐標(biāo)系，可以直接和所加工工件的面形模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到其加工面形誤差數(shù)據(jù)，從而正確地評(píng)價(jià)面形誤差。依據(jù)面形評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行加工路徑修正和補(bǔ)償加工，通過反復(fù)的原位測(cè)量和補(bǔ)償加工，實(shí)現(xiàn)工件可控面形的超精密加工。
權(quán)利要求
1. 一種光學(xué)輔助的超精密加工方法，其特征在于包括超精密加工設(shè)備和加工方法；(1)所述超精密加工設(shè)備包括柔性測(cè)頭、傳像光纖、耦接鏡、高精密轉(zhuǎn)臺(tái)和光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)，所述柔性測(cè)頭被置于高精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，其中心位于轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸的軸線上，柔性測(cè)頭采集的被測(cè)面圖像，依次通過傳像光纖、耦接鏡被傳送至光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)；(2)加工方法包括下列步驟建立加工系統(tǒng)的XYZ加工坐標(biāo)系，使轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸平行于加工坐標(biāo)系X軸，并裝配柔性測(cè)頭，使其通過通過傳像光纖、耦接鏡與光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)相連；標(biāo)定柔性測(cè)頭，確定測(cè)頭端面和旋轉(zhuǎn)軸軸線的距離d ；對(duì)所需加工工件進(jìn)行粗加工和超精密加工；設(shè)由柔性測(cè)頭的旋轉(zhuǎn)角度為，以機(jī)床的定位移動(dòng)確定刀具和測(cè)頭的X 方向偏差Δ X，進(jìn)行原位測(cè)量，由柔性測(cè)頭直接得到的加工表面的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)為(&，y ，Z1 )，則該點(diǎn)在加工系統(tǒng)的XYZ坐標(biāo)系中絕對(duì)加工坐標(biāo)為(dcos + X1 + ΔΧ , y ，dsin +Z1 )；將加工表面的絕對(duì)加工坐標(biāo)點(diǎn)直接和所加工工件的面形模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到其加工面形誤差數(shù)據(jù)；依據(jù)面形誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行加工路徑修正和補(bǔ)償加工，通過反復(fù)的原位測(cè)量和補(bǔ)償加工，實(shí)現(xiàn)工件可控面形的超精密加工。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量和加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)輔助的超精密加工方法，包括柔性測(cè)頭、傳像光纖、耦接鏡、高精密轉(zhuǎn)臺(tái)和光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)，所述柔性測(cè)頭被置于高精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，其中心位于轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸的軸線上，柔性測(cè)頭采集的被測(cè)面圖像，依次通過傳像光纖、禍接鏡被傳送至光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明同時(shí)提供一種利用該測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的超精密加工方法。本發(fā)明的測(cè)量裝置，可以延長(zhǎng)并縮減光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大曲率面形的測(cè)量和超精密加工補(bǔ)償。
文檔編號(hào)B23Q17/24GK102476326SQ20101055432
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
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